供應(yīng)精密數(shù)字化牛頓第二定律試驗(yàn)儀
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產(chǎn)品型號(hào)：XBL-1500N
產(chǎn)品代碼：
產(chǎn)品價(jià)格：
最后更新：2012-08-23
關(guān) 注 度：2544
生產(chǎn)企業(yè)：深圳市希佰侖電子有限公司
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產(chǎn)品詳細(xì)介紹XBL-1500N牛頓第二定律試驗(yàn)儀
本試驗(yàn)儀器是根據(jù)我公司發(fā)明的專利項(xiàng)目《一種測量位移、速度、加速度的方法及系統(tǒng)》(專利號(hào)：201210144157.2)所研制開發(fā)的精密數(shù)字化物理試驗(yàn)儀器。
其中XBL-1500L/XBL-1500N/XBL-1500M/XBL-1500SP/XBL-1500E五種儀器主要硬件部分完全相同，只要增加少許配件及相應(yīng)軟件就可隨意交替使用。
【儀器組成】
牛頓第二定律試驗(yàn)儀
如圖，牛頓第二定律試驗(yàn)儀由傾斜導(dǎo)軌1、線光源2、滾動(dòng)球3、平面反射鏡4、導(dǎo)軌傾斜調(diào)節(jié)器5、二維相機(jī)傾斜調(diào)節(jié)器6、測量導(dǎo)軌傾斜度的線光源7、CCD線陳相機(jī)8、數(shù)據(jù)采集卡、系統(tǒng)軟件、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成。
【儀器概況】
1、導(dǎo)軌：采用兩條工業(yè)鋁型材平行放置，距離可調(diào)，直線長度為1600mm,導(dǎo)軌的傾斜度可調(diào)，導(dǎo)軌下方放置線光源。
2、光源：采用1500毫米長的節(jié)能白色日光燈，功率：35W。
3、運(yùn)動(dòng)物體：采用任意球如健身鐵球、健身石球等，這些球均是低成本、易采購的物品。運(yùn)動(dòng)物體在導(dǎo)軌上滾動(dòng)，由于導(dǎo)軌足夠光滑，球體也有一定質(zhì)量，所以幾乎沒有摩擦阻力。
4、物體運(yùn)動(dòng)外力：將導(dǎo)軌傾斜一定角度，使用物體在導(dǎo)軌平面上的重力分量作為物體運(yùn)動(dòng)時(shí)的牽引力F，F(xiàn)即為牛頓第二定律公式F = ma中的F。
5、數(shù)據(jù)采集：采用線陣CCD相機(jī)探測滾動(dòng)球體的位置，CCD的像素為5150，像素尺寸為7微米，鏡頭采用50毫米定焦光學(xué)鏡頭，孔徑范圍：f/1.8-f/22。
6、采樣頻率：每毫秒采樣1次。
7、位移測量精度：±0.3mm。
8、導(dǎo)軌傾斜角度測量精度：±3″。
9、數(shù)據(jù)處理：采用C++開發(fā)的專用測量軟件，在WINDOWS操作系統(tǒng)下運(yùn)行，能以表格、圖像、公式等多種方式顯示、打印，有多種數(shù)字?jǐn)M合方法，原始測量數(shù)據(jù)可以保存為EXCEL文件格式，方便學(xué)生自主處理。
【儀器原理】
線光源2水平放置，線光源發(fā)出的光線由線陣CCD相機(jī)8接收并轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)，電流信號(hào)經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行運(yùn)算，當(dāng)滾動(dòng)球3在導(dǎo)軌上滾動(dòng)時(shí)，會(huì)擋住光線，計(jì)算機(jī)可以實(shí)時(shí)計(jì)算出被擋光線的位置即滾動(dòng)球的位移及相應(yīng)的時(shí)刻，對(duì)采集到的大量的位移及時(shí)間數(shù)據(jù)，采用最小二乘曲線擬合的方法計(jì)算出位移隨時(shí)間變化的函數(shù)，對(duì)該函數(shù)一次求導(dǎo)可求出滾動(dòng)球運(yùn)動(dòng)的速度，兩次求導(dǎo)可求出滾動(dòng)球運(yùn)動(dòng)的加速度，同時(shí)結(jié)合滾動(dòng)球的質(zhì)量還可精確地計(jì)算出一系列與運(yùn)動(dòng)相關(guān)的物理量如動(dòng)量、動(dòng)能、加速度、摩擦阻力等。
為驗(yàn)證牛頓第二定律的準(zhǔn)確性，首先通過導(dǎo)軌傾斜調(diào)節(jié)器5將導(dǎo)軌調(diào)整到水平位置（通過水平儀或觀察球在導(dǎo)軌上是否滾動(dòng)），將平面反射鏡4放置在導(dǎo)軌上，關(guān)閉線光源2，打開線光源7，線陳CCD相機(jī)8接收線光源7經(jīng)反射鏡4反射的光點(diǎn)位置，然而將導(dǎo)軌調(diào)整到一定的傾斜度，再次記錄反光點(diǎn)位置，兩次位置對(duì)應(yīng)張角的一半即為導(dǎo)軌的傾斜角，滾動(dòng)球的重力該角度的正弦值相乘即得出在傾斜面上的牽引力F。
下兩圖為導(dǎo)軌傾斜角的測量及相應(yīng)的計(jì)算機(jī)界面。
將滾動(dòng)球3從導(dǎo)軌高端自由向低端滾動(dòng)，可以測量出滾動(dòng)球的加速度a，結(jié)合滾動(dòng)球的質(zhì)量m，可以驗(yàn)證公式F = ma是否屬實(shí)，如相等即驗(yàn)證了牛頓第二定律。
【系統(tǒng)軟件】
1、原始測量數(shù)據(jù)界面
上圖為原始數(shù)據(jù)顯示界面，從中可以看出本次下滑運(yùn)動(dòng)經(jīng)歷了4215.37毫秒，最后位移為0.28毫米，系統(tǒng)進(jìn)行了3957個(gè)點(diǎn)的采樣，平均1毫秒采樣一次數(shù)據(jù)。
2、擬合數(shù)據(jù)界面
上圖為對(duì)測試數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合后的界面，共有三個(gè)顯示窗口，分別顯示位移—時(shí)間曲線、速度—時(shí)間曲線、加速度—時(shí)間曲線，位移—時(shí)間窗口同時(shí)顯示測試數(shù)據(jù)及擬合數(shù)據(jù)，并且以文字形式顯示了重力加速度在傾斜面上分量及根據(jù)位移時(shí)間擬合函數(shù)計(jì)算出來的加速度，兩者很好地符合。
3、數(shù)據(jù)輸出界面
原始測量數(shù)據(jù)可以保存為EXCEL文件，方便同學(xué)們自主對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。
4、打印試驗(yàn)報(bào)告，打印出的試驗(yàn)報(bào)告如下頁所示。
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